氣凝膠是一種具有納米孔隙結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料，被科學界譽為“改變世界的神奇材料”。它是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個三維立體網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達99.8%。由于它的骨架結(jié)構(gòu)是納米尺度的，可見光可以從中間穿過，同時會發(fā)生瑞利散射，讓最常見的二氧化硅氣凝膠肉眼看上去像是被凍住的藍色煙霧，這和天空呈現(xiàn)藍色的原理是一樣，所以它還有一個很好聽的綽號，叫做“藍煙”。

▲各種氣凝膠材料展示

世界上最輕的固體

特殊的孔隙結(jié)構(gòu)為氣凝膠帶來了獨特的性能，它的密度極低，甚至比同體積的空氣更輕，是世界上最輕的固體。來自中國航天科工三院306所的實驗人員通過一個小實驗展示了氣凝膠“輕”的特性。把一塊氣凝膠放置在一個新鮮的花蕾上，因為氣凝膠本身是非常輕的，因此不會對花蕾造成任何的影響。

▲氣凝膠超輕展示實驗

導熱系數(shù)最低的固體

由于孔隙率極高且孔結(jié)構(gòu)復雜，氣凝膠孔內(nèi)沒有空氣對流，使其同時具有極低的氣相與固相熱傳導率。因此，具有輕質(zhì)高效隔熱性能的氣凝膠材料在空間狹小、發(fā)射成本高昂的航空航天領域具有極高的應用價值。

氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，它纖細的骨架讓熱量傳導變得非常困難，相當于讓熱量沿著羊腸小道在三維網(wǎng)絡上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個一個單獨的房間，把單個的氣體分子關(guān)起來，讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸，能夠把對流傳熱消于無形。

▲氣凝膠隔熱耐高溫性能展示實驗

那么在天問一號上又有哪些應用，在探測器“落”和“巡”過程發(fā)揮了哪些作用呢？

天問一號一共應用了兩種氣凝膠材料，分別用來應對“極熱”和“極寒”。

“極熱”考驗出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度達到1200℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅僅12mm的材料就能夠在整個著陸過程讓它身后的溫度低于110℃。就像消防員身上穿的防火服。

“極寒”考驗出現(xiàn)在火星巡視階段，我們在火星車的表面鋪設了面積約1㎡的氣凝膠板，能夠確?；鹦擒囋?130℃的環(huán)境正常工作。就像登山運動員身上穿的防寒服。

“極輕”的考驗，為了給火星車減負，讓它“跑”的更快，“跑”的更遠。這里使用的是超低密度的氣凝膠，自身的密度只有15mg/cm3，同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。

選擇這種材料一是因為它在密度、耐溫性能和隔熱性能等方面有先天的優(yōu)勢，二是它能夠通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實現(xiàn)性能的差異化，把某一方面的性能優(yōu)勢進一步發(fā)揮到極致，也就是讓長板更長。

在空間站的搭建和運行過程中，氣凝膠材料會隨長征五號系列火箭、天舟二號貨運飛船執(zhí)行運輸任務。

氣凝膠材料在航天領域已經(jīng)獲得了廣泛的應用，涉及到的航天裝備超過三十個型號，已經(jīng)遍及低空、高空、臨近空間和深空的各類飛行器。

比如，氣凝膠在長征五號、天舟一號早有應用。在長征五號系列火箭上主要應用于發(fā)動機高溫燃氣系統(tǒng)的隔熱。在天舟一號任務中，把氣凝膠做成真空隔熱板安裝在低溫鎖柜中，在飛船中搭建了超級冰箱。

▲天舟一號上應用的氣凝膠真空隔熱板展示材料

隨著我國大力發(fā)展航天事業(yè)，傳統(tǒng)的熱防護材料已經(jīng)無法滿足航天裝備日新月異的需求。這時候航天科工的科研人員從文獻中找到了氣凝膠這樣一種陌生又神奇的材料。通過對技術(shù)體系的追蹤和研判，他們敏銳的捕捉到這種前沿材料未來可能會有巨大的應用前景。也就在這個時候，航天科工306所開始自主投入，成為國內(nèi)最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。

整個發(fā)展歷程大致可以分為三個階段：

第一個階段是2005～2010年，這是萌發(fā)期。這是從0到1的時期，組建團隊、構(gòu)建試驗室、搭建小試和中試工程裝備，從試驗室的瓶瓶罐罐，到巴掌大的樣品；從第一套敷設了氣凝膠隔熱層的設備艙通過高溫試驗考核，再到隨著航天裝備沖上藍天，306所的氣凝膠材料正式進入了太空。

第二個階段是2010～2018年，這是成熟期。經(jīng)過了前期扎實的基礎研究，技術(shù)團隊已經(jīng)掌握了氣凝膠結(jié)構(gòu)可控制備和工程應用的全套技術(shù)，先后發(fā)展了中溫型、高溫型等幾個系列氣凝膠產(chǎn)品，在二十幾型航天裝備上獲得了應用。研究成果先后獲得國家科技進步二等獎、國防技術(shù)發(fā)明一等獎和中國專利金獎。

第三個階段是2018年到現(xiàn)在，開始進入收獲期。如今氣凝膠研究方向延展出了十幾個分支，擁有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系，成熟產(chǎn)品有二十幾個牌號，遍及國防和民用兩個市場。

延伸閱讀

答：我們是2014年了解到火星探測關(guān)于熱防護的需求，到現(xiàn)在已經(jīng)7年了。航天產(chǎn)品首要要求就是質(zhì)量可靠，為了確保萬無一失，天問一號上用到的兩種氣凝膠材料先后經(jīng)過了物理特性、力學性能、隔熱性能和空間環(huán)境耐候性能等四大類總共98項試驗測試。而且每一項試驗都需要經(jīng)過多個批次的重復驗證。

答：天問一號上使用的兩種氣凝膠材料對性能的要求極為苛刻又各不相同。他們的化學成分都是二氧化硅，和水晶是一樣的。在保證極高的隔熱性能之外，“落”用到的高溫隔熱組件要求氣凝膠能夠耐受1200℃的高溫，而“巡”用到的隔熱板要求氣凝膠密度要小于水晶的1%。這對于研發(fā)團隊來說是一項不小的挑戰(zhàn)。

為了解決這個問題，我們分了兩個步驟。首先是找到微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能的科學規(guī)律，換個通俗的說法就是，要知道到底長成什么樣的氣凝膠耐溫性更好，而長成什么樣的氣凝膠才能有超低的密度。找到答案后，第二步是如何通過配方設計、通過整套制備工藝的優(yōu)化和參數(shù)控制來把我們想要的微觀結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實世界中呈現(xiàn)出來。

答：雖然針對天問一號的研制任務已暫告一段落，對于我們團隊來說，這只是若干研究方向和若干產(chǎn)品中的一個。面向十四五，團隊提出的目標是“更高性能、更多功能和更低成本”。

面對國家重大戰(zhàn)略需求，能夠耐受更高溫度、具有更好隔熱性能的氣凝膠材料，具有承載、透波、紅外隱身、電磁干擾等特殊功能的氣凝膠材料都在研發(fā)當中；面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場，團隊正在開展低成本制備技術(shù)的研發(fā)，希望在新能源汽車、工業(yè)保溫和建筑節(jié)能等領域擴大應用。

我們也和每一個關(guān)心中國航天的普通人一樣，正密切關(guān)注天問一號的任務進展，成功落火后，根據(jù)總體單位反饋的回傳數(shù)據(jù)，將進行數(shù)據(jù)的整理和分析工作，用于指導后續(xù)材料的性能優(yōu)化。

答：天問一號任務要求氣凝膠材料具有超低的密度和絕佳的隔熱性能。在現(xiàn)有的氣凝膠材料體系中，沒有能滿足這一應用需求的材料。因此，我們針對這一需求率先開展研究，并在材料研發(fā)初期，對前驅(qū)體涉及、制備工藝流程及應用等方面都進行了積極的專利布局，持續(xù)開展專利的申請，現(xiàn)已積累了較為全面的知識產(chǎn)權(quán)成果。

研究人員針對高難度的技術(shù)研發(fā)需求進行有針對性的大量文獻檢索，主要從反應原理、微觀結(jié)構(gòu)設計、超臨界狀態(tài)下模擬等方面進行檢索，根據(jù)研發(fā)經(jīng)驗和理論知識，開發(fā)了新的合成步驟，并探索出可行的工藝方案。經(jīng)過長時間的反復嘗試和優(yōu)化，成功開發(fā)出滿足要求的超低密度氣凝膠隔熱材料。

答：納米氣凝膠防隔熱材料技術(shù)已發(fā)展成為306所核心專業(yè)技術(shù)方向之一，目前，在相關(guān)領域共提交有效專利申請125項，獲得授權(quán)專利50余項。

答：實際上，我們的高性能隔熱復合材料不僅能“上九天攬月”，服務于航空航天高端領域，其在日常民用市場也占據(jù)了一席之地。如我們研制的氣凝膠防寒服、防寒靴被譽為新一代超輕超保暖產(chǎn)品，鋼包保溫隔熱產(chǎn)品幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)約了大量能源成本，同時我們在新能源汽車上也應用了氣凝膠產(chǎn)品。

我們非常重視高性能復合材料技術(shù)向民用市場的轉(zhuǎn)化，如開展了用于天舟一號低溫鎖柜的真空氣凝膠隔熱板在超級節(jié)能冰箱中的應用研究等。我們已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節(jié)能等領域的發(fā)展路線。未來我們將利用所掌握的技術(shù)，更好地服務于國計民生。

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